CN219915939U - 一种多线激光雷达装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种多线激光雷达装置，涉及激光雷达领域，包括：测量单元和微镜；所述微镜包括驱动模块、测量角度模块和镜体；所述驱动模块包括驱动电路和与所述驱动电路连接的线圈；所述镜体设置在所述线圈内并与所述线圈连接；所述线圈用于驱动所述镜体的反射镜面进行转动；所述测量角度模块与所述镜体连接；所述测量角度模块用于测量所述镜体的反射镜面的旋转方向和旋转角度；所述测量单元用于发射激光至所述镜体的反射镜面上；被测物体设置在所述反射镜面的反射光路上；所述测量单元还用于接收所述反射镜面反射的所述被测物体的漫反射激光并根据所述漫反射激光生成图像。本实用新型能够实现抗冲击振动能力强和功耗低的功能。

Description

一种多线激光雷达装置

技术领域

本实用新型涉及激光雷达领域，特别是涉及一种多线激光雷达装置。

背景技术

近年来随着汽车无人驾驶技术的发展，多线激光雷达对周围环境的感知要求也越来越高。市面上现有的机械式激光雷达利用电机带动转镜实现对激光束的扫描，该方案存在转动惯量大、抗冲击和振动能力比较差、功耗大的缺点。而MEMS激光雷达是利用MEMS扫描镜实现对激光束的扫描，但是该方案存在扫描镜面积小、使用寿命短、加工难度大、角度测量受温度影响大等不足。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种多线激光雷达装置，以实现抗冲击振动能力强、可靠性高、功耗低和受环境温度影响小的功能。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：

一种多线激光雷达装置，包括：测量单元和微镜；所述微镜包括驱动模块、测量角度模块和镜体；所述驱动模块包括驱动电路和与所述驱动电路连接的线圈；

所述镜体设置在所述线圈内，所述镜体与所述线圈连接；所述线圈用于驱动所述镜体的反射镜面进行转动；所述测量角度模块与所述镜体连接；所述测量角度模块用于测量所述镜体的反射镜面的旋转方向和旋转角度；

所述测量单元用于发射激光至所述镜体的反射镜面上；被测物体设置在所述反射镜面的反射光路上；所述测量单元还用于接收所述反射镜面反射的所述被测物体的漫反射激光并根据所述漫反射激光生成图像。

可选地，所述镜体包括磁铁S极、磁铁N极、反射镜面、转轴和镜架；

所述线圈缠绕在所述镜架外侧；所述转轴固定在所述镜架内；所述反射镜面穿过所述转轴设置在所述镜架内；所述磁铁S极和所述磁铁N极对称设置在所述反射镜面上；所述磁铁S极和所述磁铁N极以所述转轴为对称轴。

可选地，所述测量角度模块包括连续激光发射模块、连续激光接收模块、刻度尺和信号处理模块；

所述连续激光发射模块发出的连续激光照射在所述反射镜面的背面中心；所述反射镜面的背面将所述连续激光反射至所述刻度尺上；所述连续激光接收模块用于接收所述刻度尺反射的连续激光；所述连续激光接收模块与所述信号处理模块连接；所述连续激光接收模块将接收到的所述连续激光转换为电信号；所述信号处理模块用于接收所述连续激光接收模块转换的所述电信号，并根据所述电信号的强弱变化确定所述反射镜面的旋转角度和旋转方向。

可选地，所述测量单元包括激光阵列发射模块、激光阵列接收模块和图像处理模块；

所述激光阵列发射模块发射激光至所述反射镜面的正面上；所述反射镜的正面将所述激光反射至所述被测物体；所述激光阵列接收模块用于接收所述被测物体的漫反射激光；所述图像处理模块用于根据所述漫反射激光生成图像。

可选地，所述多线激光雷达装置反射镜；所述反射镜为镜面中心带有通孔的反射镜；所述通孔用于通过激光；所述反射镜设置在所述反射镜面的正面的光路上；所述反射镜用于反射所述反射镜面的正面反射的漫反射激光。

可选地，所述多线激光雷达装置还包括透镜；所述透镜设置在所述反射镜的与所述激光阵列接收模块之间；所述激光阵列接收模块设置在所述透镜的焦点处；所述透镜用于将所述反射镜反射的漫反射激光进行汇聚。

可选地，所述磁铁S极和所述磁铁N极均为永磁铁。

根据本实用新型提供的具体实施例，本实用新型公开了以下技术效果：

本实用新型包括：测量单元和微镜；所述微镜包括驱动模块、测量角度模块和镜体；所述驱动模块包括驱动电路和与所述驱动电路连接的线圈；所述镜体设置在所述线圈内并与所述线圈连接；所述线圈用于驱动所述镜体的反射镜面进行转动；所述测量角度模块与所述镜体连接；所述测量角度模块用于测量所述镜体的反射镜面的旋转方向和旋转角度；所述测量单元用于发射激光至所述镜体的反射镜面上；被测物体设置在所述反射镜面的反射光路上；所述测量单元还用于接收所述反射镜面反射的所述被测物体的漫反射激光并根据所述漫反射激光生成图像。本实用新型通过控制线圈中电流的大小和方向，驱动镜体，实现扫描镜的往复摆振，减小了转动部件的转动惯量，不但可以调节探测视场的大小，还提高系统的抗冲击能力，而且也降低了系统的功耗。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型提供的多线激光雷达装置组成框图；

图2为本实用新型提供的多线激光雷达装置光路图；

图3为本实用新型提供的多线激光雷达装置一次测量流程图；

图4为本实用新型提供的微镜结构示意图；

图5为本实用新型提供的刻度尺示意图。

符号说明：

1-多线激光雷达装置，2-测量单元，3-微镜，4-激光阵列发射模块，5-激光阵列接收模块，6-图像处理模块，7-驱动模块，8-测量角度模块，9-镜体，10-驱动电路，11-线圈，12-连续激光发射模块，13-连续激光接收模块，14-刻度尺，15-信号处理模块，16-磁铁N极，17-磁铁S极，18-反射镜面，19-转轴，20-镜架，21-透镜，22-反射镜，23-被测物体。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型的目的是提供一种多线激光雷达装置，以实现抗冲击振动能力强和功耗低的功能。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

如图1所示，本实用新型提供的一种多线激光雷达装置1，包括：测量单元2和微镜3；所述微镜3包括驱动模块7、测量角度模块8和镜体9；所述驱动模块7包括驱动电路10和与所述驱动电路10连接的线圈11。采用电磁驱动微镜3，驱动电路10通过改变通过线圈11电流的大小和方向来产生和反射镜面18上永磁铁互斥或者吸引的力，从而推动反射镜面18绕轴旋转。同时测量反射镜面18旋转方向和角度，通过反射镜面18旋转时反射到刻度尺14上的光由连续激光接收模块13产生的脉冲信号来确定反射光在刻度尺14上游走的距离，然后通过方向和距离在信号处理模块15中计算出反射镜面18旋转角度，并可以根据需要调节线圈11的电流的方法实现探测视场角的改变。

所述镜体9设置在所述线圈11内，镜体9与所述线圈11连接；所述线圈11用于驱动所述镜体9的反射镜面18进行转动；所述测量角度模块8与所述镜体9连接；所述测量角度模块8用于测量所述镜体9的反射镜面18的旋转方向和旋转角度。

如图2所示，所述测量单元2用于发射激光至所述镜体9的反射镜面18上；被测物体23设置在所述反射镜面18的反射光路上；所述测量单元2还用于接收所述反射镜面18反射的所述被测物体23的漫反射激光并根据所述漫反射激光生成图像。

所述镜体9包括磁铁S极17、磁铁N极16、反射镜面18、转轴19和镜架20；所述线圈11缠绕在所述镜架20外侧；所述转轴19固定在所述镜架20内；所述反射镜面18穿过所述转轴19设置在所述镜架20内；所述磁铁S极17和所述磁铁N极16对称设置在所述反射镜面18上；所述磁铁S极17和所述磁铁N极16以所述转轴19为对称轴。所述镜架20的材料为磁性材料。所述磁铁S极17和所述磁铁N极16均为永磁铁。

磁铁N极16和磁铁S极17分别固定在反射镜面18旋转轴19的两边。且到反射镜面18的转轴19的距离相等；反射镜面18通过转轴19与镜架20固连，且反射镜面18可绕转轴19偏转，镜架20与激光雷达本体固连。其中镜架20由磁性材料加工而成，和线圈11组成电磁铁。当有电流流过线圈11时就会产生互斥或者吸引的力驱动反射镜面18绕着转轴19旋转。通过线圈11的电流方向不同，反射镜面18转动的方向就不同，通过线圈11的电流大小不同，反射镜面18转动的角度就不同。

采用磁控制反射镜面18转动，在反射镜面18上安装永磁铁，通过轴固定在结构壳体上；驱动电路10通过改变线圈11的磁场强度来产生和反射镜面18上永磁铁互斥或者吸引的力，从而推动反射镜面18绕轴旋转。电磁铁的实现借助于结构件，既实现了电磁铁功能，又利于散热。

所述测量角度模块8包括连续激光发射模块12、连续激光接收模块13、刻度尺14和信号处理模块15；所述连续激光发射模块12发出的连续激光照射在所述反射镜面18的背面中心；所述反射镜面18的背面将所述连续激光反射至所述刻度尺14上；所述连续激光接收模块13用于接收所述刻度尺14反射的连续激光；所述连续激光接收模块13与所述信号处理模块15连接；所述连续激光接收模块13将接收到的所述连续激光转换为电信号；所述信号处理模块15用于接收所述连续激光接收模块13转换的所述电信号，并根据所述电信号的强弱变化确定所述反射镜面18的旋转角度和旋转方向。

刻度尺14是在低反射率的材料上镀上一层高反射率的镀层，然后蚀刻出刻度线，激光经过蚀刻过的刻度线时为低反射率的暗条纹，经过镀层时为高反射率的明条纹，反射光经连续激光接收模块13处理后即可转为脉冲信号，信号处理模块15通过对高脉冲计数就可以计算出反射镜面18旋转角度。所述刻度尺14由黑色条纹组成，且所述条纹具有中间粗，向两端逐渐变细的规律；所述刻度尺14中相邻两条条纹宽度不同，从刻度尺14中心开始往两边逐渐减小，以刻度尺14中心为对称轴，对称设置。其中，本实用新型使用的信号处理模块为基于FPGA或ARM的嵌入式系统。

角度计算方法：不同的刻度位置代表不同的角度位置，当计数到某个刻度时，通过查表就可以解算出不同的角度位置。

由于不同位置的条纹，对应不同的扫描角度，通过读取并记录脉冲条纹的个数，可以对位脉冲条纹的位置，进而解算出反射镜的角度。

如图5所示，本实用新型提供的多线激光雷达装置1使用的刻度尺14，由多条明条纹和多条暗条纹组成。根据刻度尺14与反射镜面18的距离和光速计算出条纹宽度，确保当反射镜面18旋转时激光经过每条条纹的时间相同。

所述测量单元2包括激光阵列发射模块4、激光阵列接收模块5和图像处理模块6；所述激光阵列发射模块4发射激光至所述反射镜面18的正面上；所述反射镜的正面将所述激光反射至所述被测物体23；所述激光阵列接收模块5用于接收所述被测物体23的漫反射激光；所述图像处理模块6用于根据所述漫反射激光生成图像。激光阵列发射模块4采用单个脉冲线激光发射器，激光阵列接收模块5采用多个接收器组成接收阵列。

如图2所示，多线激光雷达装置1还包括反射镜22和透镜21；所述反射镜22设置在所述反射镜面18的正面的反射光路上；所述反射镜22用于反射所述反射镜面18的正面反射的漫反射激光。所述透镜21设置在所述反射镜22的与所述激光阵列接收模块5之间；所述激光阵列接收模块5设置在所述透镜21的焦点处；所述透镜21用于将所述反射镜22反射的漫反射激光进行汇聚。所述反射镜22为镜面中心带有通孔的反射镜；所述通孔用于通过激光。

其中激光阵列发射模块4发射的激光，通过反射镜22中心的通孔，照射到微镜3的反射镜面18上，经过微镜3反射镜面18的反射照射到被测物体23上，被被测物体23反射后又照射到反射镜面18上，经反射镜面18反射后被透镜21汇聚并聚焦到激光阵列接收模块5上，激光阵列接收模块5将接收的光信号转换为电信号，并输入给图像处理模块6，解算出目标距离。

解算目标距离的方法是飞行时间法：距离＝飞行时间×光速，图像处理模块中包含有时间间隔测量模块可以测量出发射脉冲和接收脉冲的时间差，该时间差×光速，就得到目标的距离，将阵列探测器探测到的信号，解算出距离后，就可以获得阵列距离图像，该处方法属于行业公知。

激光阵列发射模块4和透镜21的法线方向平行，反射镜面18位于激光阵列发射模块4和透镜21的光路中，探测器位于透镜21的焦点处，图像处理模块6通过导线与探测器连接。线圈11缠绕在镜架20上，且线圈11平面的法线方向与反射镜面18的法线方向平行；驱动电路10与线圈11通过导线连接。

如图2和图4所示，工作时，连续激光发射模块12发射连续激光到反射镜面18，再反射到刻度尺14上，反射镜面18转动的过程中反射后的激光会在刻度尺14上游走，通过连续激光接收模块13探测到刻度尺14反射光由弱变强的阶跃信号，信号处理模块15根据阶跃信号计算出转镜转动的角度。从而线激光发射器发出一束光穿过反射镜22到镜体9再到被测物体23上，打到被测物体23上的光经漫反射后到转镜再到反射镜22上，经透镜21聚焦后到激光阵列接收模块5上，完成一次扫描工作。激光接收模块通过导线与信号处理模块15相连。本实用新型的连续激光发射模块12为连续激光发生器，连续激光接收模块13功能是探测连续激光信号，并将其转换为电信号。

如图3所示，本实用新型提供的多线激光雷达装置1正常工作时一次测量的流程图，测量时首先发射连续激光，再驱动线圈11控制反射镜转动，根据需求是否需要修改探测视场，需要则调节线圈11电流改变探测视场，微镜3中的连续激光发射模块12发射连续激光到反射镜面18，再反射到刻度尺14上，然后由连续激光接收器探测到刻度尺14反射光由弱到强的阶跃信号，从而触发测量单元2中的发射模块发射阵列激光脉冲，线激光打到微镜3上反射到被测物体23上开始反射接收激光，接收激光经反射镜面18反射至接收模块，然后由图像处理模块6合成出被测环境一列点云像素，如此反复最终可以合成出周围环境3D图像。其中，当探测近距离目标时，增大扫描角度，探测视场增加，探测远距离目标时，减小扫描角度，探测视场减小。

相比传统的电机扫描和MEMS扫描方式，本实用新型具有抗冲击振动能力强、不受环境温度影响、寿命长、功耗低和可调节探测视场等优势。

针对基于硅基材料的MEMS扫描镜材料疲劳的问题，本实用新型采用基于金属的轴传统方式实现扫描镜的高速摆动。

针对传统电机扫描方案存在抗冲击振动性能不足、功耗大的问题，本方案通过控制线圈11中电流的大小和方向，驱动微型小尺寸扫描镜，实现扫描镜的往复摆振，减小了转动部件的转动惯量，不但提高系统的抗冲击能力，而且也降低了系统的功耗。

针对MEMS扫描镜转角测量受温度影响的问题，本实用新型设计了基于反射空间刻度信息的扫描镜转角测量方案，该方案具有角度测量精度不受环境温度影响的优势。

本实用新型具成本低、精度高、可靠性高、可调节探测视场、不受环境温度的影响等优势。综上所述，本实用新型设计新颖合理，成本低、精度高和可靠性高的特点。具有很强的通用性和实用性，便于推广使用。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的装置及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (7)

1.一种多线激光雷达装置，其特征在于，包括：测量单元和微镜；所述微镜包括驱动模块、测量角度模块和镜体；所述驱动模块包括驱动电路和与所述驱动电路连接的线圈；

所述镜体设置在所述线圈内，所述镜体与所述线圈连接；所述线圈用于驱动所述镜体的反射镜面进行转动；所述测量角度模块用于测量所述镜体的反射镜面的旋转方向和旋转角度；

所述测量单元用于发射激光至所述镜体的反射镜面上；被测物体设置在所述反射镜面的反射光路上；所述测量单元还用于接收所述反射镜面反射的所述被测物体的漫反射激光并根据所述漫反射激光生成图像。

2.根据权利要求1所述的多线激光雷达装置，其特征在于，所述镜体包括磁铁S极、磁铁N极、反射镜面、转轴和镜架；

所述线圈缠绕在所述镜架外侧；所述转轴固定在所述镜架内；所述反射镜面穿过所述转轴设置在所述镜架内；所述磁铁S极和所述磁铁N极对称设置在所述反射镜面上；所述磁铁S极和所述磁铁N极以所述转轴为对称轴。

3.根据权利要求1所述的多线激光雷达装置，其特征在于，所述测量角度模块包括连续激光发射模块、连续激光接收模块、刻度尺和信号处理模块；

所述连续激光发射模块发出的连续激光照射在所述反射镜面的背面中心；所述反射镜面的背面将所述连续激光反射至所述刻度尺上；所述连续激光接收模块用于接收所述刻度尺反射的连续激光；所述连续激光接收模块与所述信号处理模块连接；所述连续激光接收模块将接收到的所述连续激光转换为电信号；所述信号处理模块用于接收所述连续激光接收模块转换的所述电信号，并根据所述电信号的强弱变化确定所述反射镜面的旋转角度和旋转方向。

4.根据权利要求1所述的多线激光雷达装置，其特征在于，所述测量单元包括激光阵列发射模块、激光阵列接收模块和图像处理模块；

所述激光阵列发射模块发射激光至所述反射镜面的正面上；所述反射镜的正面将所述激光反射至所述被测物体；所述激光阵列接收模块用于接收所述被测物体的漫反射激光；所述图像处理模块用于根据所述漫反射激光生成图像。

5.根据权利要求4所述的多线激光雷达装置，其特征在于，还包括反射镜；所述反射镜为镜面中心带有通孔的反射镜；所述通孔用于通过激光；所述反射镜设置在所述反射镜面的正面的光路上；所述反射镜用于反射所述反射镜面的正面反射的漫反射激光。

6.根据权利要求5所述的多线激光雷达装置，其特征在于，还包括透镜；所述透镜设置在所述反射镜的与所述激光阵列接收模块之间；所述激光阵列接收模块设置在所述透镜的焦点处；所述透镜用于将所述反射镜反射的漫反射激光进行汇聚。

7.根据权利要求2所述的多线激光雷达装置，其特征在于，所述磁铁S极和所述磁铁N极均为永磁铁。